USINABILIDADE DA LIGA Ti-6Al-4V EM OPERAÇÃO DE ACABAMENTO
NO TORNEAMENTO COM ALTA VELOCIDADE DE CORTE COM
DIFERENTES MÉTODOS DE LUBRI-REFRIGERAÇÃO
Odilon Soares da Silva, odilon.silv@terra.com.br Leonardo Roberto da Silva, lrsilva@deii.cefetmg.br Francisco Vieira dos Santos, franvds5@gmail.com
Matheus Barbosa de M. Alvim, matheusb007@yahoo.com.br
Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais - CEFET-MG - Campus I - Departamento de Engenharia de Materiais. Avenida Amazonas, 5253. Nova Suíça. Belo Horizonte, MG, Brasil.
Resumo: O titânio e suas ligas possuem baixa densidade aliada a uma alta resistência mecânica, mesmo em altas
temperaturas. Com isso, se apresentam como ótimas soluções e recebem grande importância nas indústrias química, naval, aeroespacial, nuclear, bélica e biomédica. A influência que a usinabilidade exerce sobre a produtividade e o custo final de produção serve como parâmetro para reforçar a necessidade da preocupação não só com desenvolvimento de materiais com propriedades mecânicas, físicas e químicas superiores, mas também com o comportamento desses materiais quando submetidos a algum tipo de processo de manufatura. A usinagem de ligas de titânio sempre foi classificada como de difícil usinabilidade. Este trabalho visa o estudo da usinabilidade da liga Ti-6Al-4V no torneamento com alta velocidade de corte com diferentes métodos de lubri-refrigeração (com jorro, sistema de Mínima Quantidade de Lubrificante - MQL e a seco) utilizando ferramenta de metal duro. A avaliação da usinabilidade nas diversas condições de lubri-refrigeração e da ferramenta utilizada consistiu na análise dos parâmetros: desgaste, vida e rugosidade. Os resultados possibilitaram avaliar o comportamento dos diferentes métodos de lubri-refrigeração no desempenho dos parâmetros citados. Em geral, os resultados mostraram que o tipo de lubri-refrigeração influencia o comportamento da usinabilidade da liga Ti-6Al-4V. O aumento da velocidade de corte reduz drasticamente a vida da ferramenta. Por outro lado, com relação a rugosidade não se obteve um comportamento padrão.
Palavras-chave: Usinagem com alta velocidade, Métodos de lubri-refrigeração, Usinabilidade, Liga Ti-6Al-4V,
desgaste.
1. INTRODUÇÃO
As ligas de titânio apresentam elevadas temperaturas de fusão, alta dureza a quente, excelentes propriedades mecânicas, alta resistência à corrosão, ótima razão resistência-peso e biocompatibilidade, características que fazem delas materiais ideais para aplicações na indústria aeroespacial, automotiva, petroquímica e biomédica (Rahman et al., 2006).
Estes materiais apresentam, entretanto, baixíssima condutividade térmica, de modo que, quando usinados, são geradas altíssimas temperaturas na região de corte (Venugopal et al., 2007). Enquanto as elevadas temperaturas da região de corte podem ser atenuadas com a ajuda dos mais diversos tipos de fluidos de corte (Sandvik Coromant, 2004), e o desgaste por difusão pode ser minimizado a partir da utilização de novos materiais para ferramentas (Wang et al., 2005).
Como calculado por meio do método de diferenças finitas, a temperatura máxima entre a formação do cavaco e da ferramenta, atinge 1400 ºC quando a liga Ti-6Al-4V é usinada a uma velocidade de corte de 120 m/min (Tlusty, 1999).
Outra característica peculiar é a elevada afinidade química com todos os materiais comumente utilizados para ferramentas de usinagem que, associada ao intenso calor gerado na usinagem, estimula o desgaste por difusão (Wang e Zhang, 1988). Como se não bastasse, as ligas de titânio apresentam ainda baixíssimo módulo de elasticidade (Ezugwu et al., 2005) que, aliado à instabilidade termoplástica decorrente da baixa condutividade térmica (Trent e Wright, 2000), gera variações na espessura do cavaco, flutuações na força de usinagem e, portanto, altos níveis de vibração (Rahman et al., 2003).
Com a evolução dos processos de usinagem, tem-se aumentado bastante a utilização da usinagem denominada High-Speed Machining (HSM), principalmente devido às grandes vantagens atribuídas ao processo, como por exemplo, economia de tempo, menores esforços de corte, melhor dissipação de calor, menor distorção da peça, melhor precisão, menores níveis de vibração mecânica, maior facilidade na remoção e armazenamento de cavacos e melhor acabamento superficial, visando sempre o crescimento da produtividade (Chevrier et al., 2003).
Entretanto, uma das dificuldades encontradas na usinabilidade das ligas de titânio é o material da qual a ferramenta de corte é constituída. Logo, ferramentas de material cerâmicos, não são comumente usadas, pois na usinagem das ligas de titânio, este material apresenta baixa performance devido a altas taxas de desgaste por causa de sua alta reatividade química com este tipo de liga (Ezugwu et al., 2003). Por estas razões, a usinagem de titânio requer ferramentas com características de alta dureza, resistência ao desgaste, dureza e resistência a quente e alto coeficiente de condutividade térmica (Rahman et al., 2003; Narutaki e Murakoshi, 1983).
O fato de que a temperatura de corte alta atua perto da borda de corte durante a usinagem de alta velocidade de ligas de titânio é o principal motivo para o desgaste rápido ferramenta.
Este trabalho visa, portanto, estudar possibilidade de atingir alta velocidade de corte no torneamento em operação de acabamento da liga Ti-6Al-4V com o objetivo de aumentar a produtividade e manter os padrões de qualidade requeridos. Para a obtenção desses requisitos, foram analisados os parâmetros de corte (velocidade de corte, avanço e condições de lubri-refrigeração), em relação ao desempenho da vida da ferramenta e da rugosidade.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
O material utilizado para realização dos ensaios foi a liga de titânio Ti-6Al-4V na forma de barra cilíndrica adquirida da empresa Sandinox Comercio, Importação e Exportação Ltda nas dimensões: Diâmetro 25,4 e comprimento de 3000 mm, com tratamento térmico de recozimento. Tabela (1) apresenta as principais propriedades mecânicas e composição química da liga de titânio Ti-6Al-4V.
Tabela 1. Principais propriedades e composição química da liga de titânio Ti-6Al-4V.
Composição química em peso (%)
C V Al Ti O Fe H N
0,03 4,18 6,12 Saldo 0,12 0,16 0,0019 0,01
Propriedades Mecânicas
Alongamento: 17% Modulo de Elasticidade: 110 GPa
Escoamento: 876 MPa Condutividade Térmica: 6,6 W/m ºK
Resistência a Tração: 925 MPa Temperatura de Fusão: 1670 ºC
Redução de área: 49 % Coeficiente de Expansão Térmica: 8,4x 10-6 / ºC
Os corpos de prova foram serrados e faceados com comprimento de 90 mm e usinados conforme sequência representada na Figura (1). O comprimento usinado durante os testes foi de 40 mm, sendo que para cada teste foi usinado uma réplica para comprovação dos resultados.
Figura 1. Sequência para usinagem dos corpos de prova.
O equipamento utilizando foi o torno Romi CNC Centur 30D com placa e contra ponto pneumático, torre elétrica de 8 posições, potência de 10 KW e comando Siemens 802. Com objetivo de manter a rigidez do sistema, os corpos de prova foram usinados somente até atingirem o diâmetro de 15 mm. A rotação do torno foi limitada a 3800 RPM, pouco abaixo do limite máximo permitido que é de 4000 RPM. Trabalhou-se com velocidade de corte constante através da programação da função G96 observando até qual diâmetro poderíamos usinar sem ultrapassar a rotação máxima que foi limitada a máquina.
Foi realizado réplica dos ensaios para obtenção de uma melhor confiabilidade na elaboração dos gráficos através da média aritmética dos resultados dos testes.
As ferramentas de corte e suporte intercambiável foram adquiridas do fornecedor Sandvik Coromant, seguindo as especificações recomendadas: Suporte externo SVJBR 2525M11-B1, inserto de metal duro sem cobertura VBMT 110304-KF H13A.
As velocidades de corte selecionadas foram de 60, 120, 180 e 240 m/min, avanços de corte de f = 0,05 e 0,10 mm/rotação e profundidade de usinagem ap = 0,25 mm.
concentração de 7% em volume com a vazão de aproximadamente 25 L/min indicado para usinagem de materiais ferrosos, ligas de níquel e titânio. Para a medição da concentração do fluido de corte foi utilizado um refratômetro portátil ATAGO série MASTER–α, Brix 0.0 a 33,0%. Para a aplicação da técnica de mínima quantidade de lubrificante (MQL) foi utilizado um equipamento aplicador Accu-Lube fornecido pela ITW-Chemical Products Ltda., utilizando o lubrificante LB 1000 fornecido pelo fabricante do equipamento, sendo que a vazão do ar foi regulada para 18 m³/h a uma pressão de 5 kgf/cm². A vazão do lubrificante foi regulada para 30 mL/h.
O critério adotado para fim de vida da ferramenta foi através do desgaste de flanco máximo VBBmáx = 0,6 mm
conforme recomendação da Norma ISO 3685 (1993) ou tempo de corte de 30 minutos. Para medição de desgaste da ferramenta foi utilizado microscópio ferramenteiro com aumento de 30X e resolução de 0,01 mm.
A rugosidade foi medida utilizando rugosimetro Mitutoyo SJ 301 calibrado conforme norma JIS B061-1994. O rugosímetro foi ajustado para um cut-off (comprimento de amostragem) de 0,8 mm. Foram medidas as rugosidades em Ra, Rt e Rq em quatro posições 0º, 90º, 180º, 270º em seguida feito uma média aritmética dos valores encontrados. Com
os valores obtidos, foram confeccionados gráficos de desgaste de flanco “VBBmax” (mm) e rugosidades X Comprimento
de corte espiral Lc (m) para velocidades de corte 60, 120,180 e 240 m/min e avanços de 0,05 e 0,10 mm/rotação. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
As características das ligas de titânio (elevadas temperaturas de fusão, alta dureza a quente, excelentes propriedades mecânicas e alta resistência à corrosão), ocasionaram intenso desgaste na ferramenta proporcionando um tempo de vida reduzido, principalmente com velocidades de corte maiores nos diferentes métodos de lubri-refrigeração.
3.1. Desgaste da ferramenta
Os gráficos a serem apresentados são referentes aos ensaios realizados considerando um comportamento do desgaste de flanco máximo da ferramenta em relação ao comprimento de corte e da velocidade de corte. As Figuras (2) e (3) apresentam o desgaste de flanco máximo da ferramenta em relação ao comprimento de corte na condição de lubri-refrigeração por jorro.
Figura 3. Desgaste da ferramenta (VBBmax) em função do comprimento de corte na condição de jorro utilizando avanço de 0,05 mm/rot.
Observa-se nas Fig.(2) e (3), que nas velocidades de corte de 60 m/min e 120 m/min., as ferramentas de corte não atingiram os desgastes de flanco máximo “VBBmáx” de 0,6 mm e o critério de fim de vida foi o tempo de usinagem de
aproximadamente 30 minutos. Na Fig. (2), nas velocidades de corte de 180 e 240 m/min., as ferramentas atingiram os desgastes de flanco máximo e os comprimentos de corte atingiram 893 metros e 63 metros respectivamente. Na Fig. (3) com as velocidades de corte de 180 e 240 m/min., as ferramentas também atingiram os desgastes de flanco máximo e os comprimentos de corte alcançados foram 475 metros e 181 metros respectivamente. Nata-se também na Fig. (2) na velocidade de corte de 120 m/min o desgaste de flanco é maior que em relação a velocidade de corte de 180 m/min até atingirem o comprimento usinado de 692 metros.
As Figuras (4) e (5) apresentam o desgaste de flanco máximo da ferramenta em relação ao comprimento de corte nas condições de lubri-refrigeração pelo sistema de MQL e a seco.
Figura 5. Desgaste da ferramenta (VBBmax) em função do comprimento de corte na condição a seco utilizando avanço de 0,10 mm/rot.
Percebe-se que na condição de utilização de fluido de corte através de jorro o desempenho é melhor que utilizando o sistema MQL e este por sua vez tem melhor desempenho que a seco. Na Fig. (4) utilizando o sistema MQL, na velocidade de corte de 240 m/min obtemos melhores resultados que com refrigeração por jorro e a seco, tendo se em vista os comprimentos de corte usinados. Isto nos sugere que a utilização deste sistema é uma boa alternativa na usinagem com alta velocidade de corte.
Na condição de utilização do sistema MQL obteve um desempenho bem superior em relação à condição a seco principalmente a partir da velocidade de corte de 180 m/min onde tivemos mais de 100 % de rendimento. Trabalhando a seco, Fig. (5) com velocidade de corte de 240 m/min, obtemos o desempenho de somente duas passadas e comprimento de corte de 63 m enquanto utilizando o sistema MQL, Fig. (4) obtemos comprimento usinado de 236 metros.
O melhor desempenho, entretanto é observado quando se utiliza velocidade de 60m/min e o sistema MQL onde apresentou menor desgaste ao fim de 30 minutos de usinagem. Cabe ressaltar, que a velocidade de corte indicada pelo fabricante para o torneamento de ligas de titânio com avanço de 0,10 mm/rot é de 60 m/min.
Observa-se em todas as condições de lubri-refrigeração uma redução drástica da vida da ferramenta com o aumento da velocidade de corte, resultando em um comprimento usinado consideravelmente baixo. Provavelmente, isto é resultado das elevadas temperaturas na região de corte, que acentuam a reatividade entre os materiais da ferramenta e o Titânio. O aumento do avanço teve pouca influência na vida da ferramenta.
3.2. Rugosidade
As Figuras (6) e (7) apresentam os valores médios de rugosidade (Ra) em relação ao comprimento de corte e da
Figura 6. Rugosidade (Ra) em função do comprimento de corte na condição de jorro utilizando avanço de 0,10 mm/rot.
Figura 7. Rugosidade (Ra) em função do comprimento de corte na condição de jorro utilizando avanço de 0,05 mm/rot.
Na Fig. (6), na velocidade de corte de 120 m/min apresentou rugosidade melhor que na velocidade de corte de 60 m/min até o comprimento de 789 metros. A rugosidade na velocidade de corte de 60 m/min apresentou-se mais estável em relação às demais velocidades de corte apresentadas. Nas velocidades de corte de 180 e 240 m/min a rugosidade aumenta rapidamente em relação as velocidades de corte de 60 e 120 m/min. Provavelmente pelo alto nível de desgaste apresentado. Ainda na Fig. (6) com a velocidade de corte de 180 m/min. a partir do comprimento usinado de 577 mm houve uma queda da rugosidade até o comprimento usinado de 847 mm. A partir deste ponto a rugosidade sobe rapidamente até atingir Ra de 3,37 µm e fim de vida útil da ferramenta de corte em relação ao desgaste de flanco.
Já na Fig. (7) com a velocidade de corte de 180 m/min o aumento da rugosidade é progressivo com consequente comprimento usinado bem menor que apresentado na Fig.(6), porém apresentando melhor rugosidade. Na velocidade de corte 240 m/min., a rugosidade aumenta rapidamente em relação as demais velocidades de corte com conseqüente redução no comprimento de corte usinado. Em geral, a rugosidade aumenta com o progresso do desgaste.
A redução do avanço apresenta melhora na rugosidade em todas as velocidades de corte testadas, porém com menor comprimento de corte usinado devido a maior tempo de contato.
As Figuras (8) e (9) apresentam os valores médios de rugosidade (Ra) em relação ao comprimento de corte nas
Figura 8. Rugosidade (Ra) e m função do comprimento de corte na condição de MQL utilizando avanço de 0,10 mm/rot.
Figura 9. Rugosidade (Ra) em função do comprimento de corte na condição a seco utilizando avanço de 0,10 mm/rot.
Observa-se nas Fig.(8) e Fig. (9) que o sistema de lubri-refrigeração MQL apresenta desempenho bem superior em relação à usinagem a seco. Mesmo na condição da velocidade de corte de 60 m/min onde o fim da vida útil da ferramenta foi determinado em ambas as condições pelo tempo aproximado de 30 minutos, a rugosidade foi bem melhor e mais estável no sistema com MQL.
O menor avanço proporcionou valores menores de rugosidade em todas as condições de lubri-refrigeração. Novamente, a velocidade de corte de 60m/min apresentou melhor desempenho em ambos os avanços. De uma maneira geral, o aumento da velocidade de corte elevou os valores de rugosidade, devido principalmente pelo aumento do desgaste provocado.
O método de lubri-refrigeração com fluido de corte por jorro apresenta de uma maneira geral desempenho superior à condição de MQL e a seco. Ainda assim obtemos bons resultados utilizando o sistema MQL, conforme podem ser observado na Fig. (8), apontando resultados intermediários as condições a seco e com fluido de corte por jorro.
As Figuras (10) e (11) apresentam os valores médios de rugosidade total (Rt) em relação aos comprimentos de corte
Figura 10. Rugosidade total (Rt) em função do comprimento de corte na condição de jorro utilizando avanço de 0,10 mm/rot.
Figura 11. Rugosidade total (Rt) em função do comprimento de corte na condição de jorro utilizando avanço de 0,05 mm/rot.
Observa-se nas Fig. (10) e Fig.(11) que a rugosidade total na velocidade de corte de 120 m/min é melhor que na velocidade de corte de 60 m/min. Nota-se também conforme Fig. (11) na velocidade de corte de 120 m/min produz excelente Rt não ultrapassando 4 µm. Os valores de rugosidade total são melhores com avanço de 0,05 mm/rot.
Nas velocidades de 180 e 240m/min não apresentaram um comportamento padrão no parâmetro Rt na condição de
avanços de 0,05mm/rot. e 0,10 mm/rot. Os métodos de lubri-refrigeração interferiram de maneira significativa nos resultados de rugosidades.
4. CONCLUSÕES
À medida que se aumenta a velocidade de corte e o avanço reduzi-se consideravelmente a vida útil da ferramenta, aumentando a rugosidade e reduzindo também o comprimento usinado.
A velocidade de corte de 60 m/min proporciona em ambos os avanços boa estabilidade no corte, ou seja, menor dispersão dos valores nos parâmetros avaliados.
A velocidade de corte de 120 m/min na condição de lubri-refrigeração através de jorro apresenta desempenho satisfatório em ambos os avanços de corte, pois não atingiu o desgaste de flanco máximo, possibilitando uma vida superior a 30 minutos.
A condição menos favorável foi com velocidade de corte de 240 m/min e avanço de 0,10 mm/rotação a seco. Nesta condição usinou-se apenas 63 metros de comprimento espiral, atingindo desgaste de flanco máximo de 0,60 mm.
A velocidade de corte contribui muito mais que o avanço para o aumento do desgaste da ferramenta.
Os métodos de lubri-refrigeração interferiram de maneira significativa nos resultados de rugosidade e desgaste. Em geral, a aplicação de fluido de corte por jorro apresentou um melhor desempenho nas diversas condições de corte.
Existe hoje uma grande preocupação quanto a utilização do óleo solúvel tanto no controle do meio ambiente, relativos a poluição e descarte, quanto na exposição do operador em relação a danos a sua saúde, que podem provocar problemas respiratórios e dermatológicos. Portanto o sistema de lubri-refrigeração por MQL constitui uma boa alternativa em relação aos demais processos.
Os resultados obtidos nesta pesquisa permite determinar em qual condição pode-se trabalhar a fim de atender os requisitos solicitados e obter o melhor desempenho. Tais requisitos e necessidades estão diretamente ligados à qualidade, custo e prazo de fabricação.
5. AGRADECIMENTOS
Ao CNPq pelo apoio financeiro de auxílio à pesquisa e pela bolsa de Produtividade em Pesquisa. Este trabalho foi realizado com o apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).
6. REFERÊNCIAS
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7. DIREITOS AUTORAIS
MACHINABILITY OF Ti-6Al-4V ALLOY IN FINISH AT HIGH SPEED
TURNING WITH DIFFERENT METHODS COOLING
Odilon Soares da Silva, odilon.silv@terra.com.br Leonardo Roberto da Silva, lrsilva@deii.cefetmg.br Francisco Vieira dos Santos, franvds5@gmail.com
Matheus Barbosa de M. Alvim, matheusb007@yahoo.com.br
Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais - CEFET-MG - Campus I - Departamento de Engenharia de Materiais. Avenida Amazonas, 5253. Nova Suíça. Belo Horizonte, MG, Brasil, CEP: 30.421-169.
Abstract: Titanium and its alloys have low density combined with high mechanical strength even at high temperatures.
Thus, present themselves as optimal solutions and receive great importance in the chemical, shipbuilding, aerospace, nuclear, war and biomedical . The influence that the machinability has on productivity and the final cost of production serves as a parameter to reinforce the need of concern not only with the development of materials with mechanical properties , superior physical and chemical , but also with the behavior of these materials when subjected to some type of manufacturing process. The machining of titanium alloys has always been classified as difficult to machine. This work aims to study the machinability of Ti-6Al-4V alloy in high speed turning with different methods of cooling (with jet, Minimum Quantity Lubricant system - MQL and dry) using carbide tool. Evaluation of machinability in various conditions of cooling and tool used consisted in the analysis of the parameters: wear, life and roughness. The results made it possible to evaluate the behavior of the different methods of cooling in the performance of the parameters mentioned. In General, the results showed that the type of cooling influences the behavior of the Machinability of Ti-6Al-4V alloy. Increased cutting speed drastically reduces tool life. On the other hand, regarding the roughness was not obtained a default behavior.
